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基于AMESim负载敏感系统的仿真分析

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  • 发布时间:2017-01-15
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负载敏感系统是-种传感系统负载的压力-流量需求,使泵出口的压力随负载变化而改变,向系统提供近似于负载所需的液压功率(压力与流量的乘积)的液压回路。目前应用于挖掘机上的液压系统主要有3种:正流量系统、负流量系统和负载敏感系统。由于负载敏感系统具有效率高、脉动孝噪声低等优点,非常适合工程机械负载变化剧烈、工况变换频繁的特点,因而在工程机械上应用非常广泛。但是,负载敏感仍然存在响应滞后、复合动作时操纵性差等问题。

对液压系统进行仿真研究,目前常用的建模方法主要有解析法、状态空间法和键合图法flj。本文应用基于功率键合图的AMESim软件进行建模仿真。

在建模过程中选用软件自带的标准应用库可以让使用者避免公式推导与程序编写过程,更专注于系统本身的设计。

1 工作原理负载敏感技术就是将负载所需的压力、流量与泵源的压力流量匹配,以最大限度提高系统效率的- 种技术。要提高系统的功率利用效率,-方面要将负载所需的压力与泵源的输出压力匹配,另-方面,泵源的输出流量正好满足负载驱动速度的需要[21,其工作原理如图1所示。

1.1 自适应状态如图 1所示,P 为负载压力,P 为泵出口压力。

通过调节节流阀2的开口大小为负载提供流量。静1.变量泵 2.节流阀 3.s阀 4.恒压阀 5.负载变量缸敏感腔 6.负载变量缸弹簧腔图 1 负载敏感系统工作原理图止时 阀3的受力平衡方程为:(ps-pL)AFs式中:A为L 阀阀芯面积; 为阀芯作用力。当节流阀2的开度减小时,表明负载的需求减小,此时泵的输出流量大于负载所需流量,节流阀2两侧的压差 Apps-p 增大,即(p 叩 >尽,推动三 阀 3的阀芯向右运动,油液通过 阀3左位和阀4右位,流向负载变量缸敏感腔5,由于敏感腔 5的作用面积比弹簧腔 6的面积大,因此在斜盘上产生转矩差,推动变量斜盘角减小,使泵的流量减小,直到与负载所需流量平衡为止。相反,阀2的开度增大,泵作者简介:吴正明(1987-),男,在读硕士,研究方向:机械与车辆动力学。

- 38- 输出流量小于负载所需流量,则 Apps-p 减小,推动 工 阀3的阀芯向左运动,敏感腔 5的油液经过 L阀 3右位流向油箱,泵的斜盘角增大,流量增大。

1.2 保压或过载状态当系统处于保压或过载状态时,系统无法或无需推动执行元件动作,这时 阀3由于弹簧压力-直处于右位,泵输出压力P 逐渐上升,直到大于恒压阀4设定压力,此时油液推动恒压阀4的阀芯向右运动,油液通过阀4左位进入变量缸敏感腔,使泵的流量减小到仅能维持系统本身控制的程度,斜盘角接近零偏角,达到零流量”状态,泵的功耗最校1.3 待机状态当节流阀2关闭,即负载停止工作,系统处于待机状态时,油液通过阀3左位进人变量缸敏感腔 5,使得泵的流量减小到最小值,泵出口压力为 阀弹簧设定压力,-般只有 1.4 MPa左右,此时为零压零流量卸荷”的理想状态,泵的功率消耗几乎为零圈。

以上分析表明:(1)负载敏感系统中,变量泵可以根据负载的需求提供压力和流量。

(2)保压或过载时,变量泵的输出流量仅保持系统的压力。

2 AMESim建模AMESim是法国IMAGINE公司 1995年推出的基于键合图思想的液压/机械仿真软件,具有丰富的模型库,使用者可以采用标准元件库中的元件,也可以按照实际物理系统自定义搭建元件。

在模型搭建过程中,主要分为4个步骤,即:草图模式:选取标准库元件,按照物理原理图搭建模型。

运行模式:对所搭建模型进行仿真,得到相关数据和图表。

根据负载敏感液压系统的工作原理 ,利用AMESim中的 Mechanical、HCD、Signal、Hydraulic元件库搭建负载敏感泵液压系统模型[41,如图2所示。

模型对负载敏感回路做了-些简化,忽略了电机和变量泵的摩擦阻力、液压油在管道内沿程阻力1.节流阀 2.比例溢流阀 3.负载变量缸 4.恒压阀 5.L。

阀图2 负载敏感泵液压系统仿真模型并假设流动状态为层流。液压泵选择 Hydraulic库中的变量泵模型,排量为 46 mL/r,信号控制范围为0,1],转速为 1 500 r/min;阀芯的直径、阀口形状、遮盖量等由HCD库中滑阀拈构造;节流阀和比例溢流阀使用 Signal库的信号源控制其开度和溢流压力 ,电流为 200 mA;节流阀最大开度时直径为 6mm;L 阀设定压力 1.4 MPa,弹簧刚度 2.4104 N/m;恒压阀设定压力 28 MPa,弹簧刚度5x10 N/m;拈质量 0.01 kg。

3 仿真与结果分析首先验证溢流阀和恒压阀的正确性 ,选取 27MPa和30 MPa两个压力进行仿真。恒压阀的设定压力为28 MPa,仿真时间为 1 s,采样时间为0.001 s,得到比例溢流阀和节流阀压力曲线,如图3、图4所示。

罨时间/s图3 比例溢流阀压力曲线- 39- 罨R 时闻/s图4 节流阀压力曲线由图3、图4可知,在 27 MPa压力下仿真时比例溢流阀在0.5 s之前压力逐渐上升,O.5 S之后压力达到27 MPa保持恒定,说明比例溢流阀在压力超过溢流压力(27 MPa)后开始溢流,比例溢流阀工作正常;在30 MPa压力下仿真时,泵的压力在 0.5 s后继续增加 ,达到 28.3 MPa后趋于恒定 ,这是由于压力达到恒压阀设定压力(28 MPa)时,恒压阀泄压起到保压作用,泵输出压力保持在28 MPa左右。

然后,验证模型的压力-流量曲线。使节流阀开度最大,比例溢流阀溢流压力设定为30 MPa。给比例溢流阀-个0到200 mA的信号,仿真时间为 1s ,采样时间为0.001 s,仿真结果如图5所示。

j蚓螺图 S 泵的压力-流量曲线图图6为参考力士乐 AlVSO样本的压力-流量曲线,与仿真结果对比可知曲线大致相同,但由于仿真过程中忽略了泵的泄漏损失以及阀的节流损失,所以随着压力的升高,泵流量依然保持恒定,当压力达到接近28 MPa时,由于恒压阀起作用,流量在0到69 L/min之间变化,理想的情况应该是-条与流量轴平行的直线,但在实际中,会产生-定压差,这是由于恒压阀动作时的黏性阻力、摩擦力以-- -- - 40.---图 6 样本压力-流量 曲线及弹簧压缩所造成的结果。

接着验证 阀的设定压力~节流阀全开,给定比例溢流阀信号以模拟负载压力,分别为:0 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa及20 MPa,观察在不同负载压力时,泵的出口压力与节流阀出口的压力关系,仿真时间0-5 s,采样时间0.001 s。运行结果如图7所示。

图7中平行于时间轴的直线为设定的不同负载压力,可以看出尽管节流阀开口大型负载压力不断变化,负载压力和泵出口压力之间的压差均保持在 14MPa左右,这说明压差只和 阀的设定压力有关,而与负载变化无关。

善出时间/s图 7 L。阀压差曲线图最后,试验泵在变载隋况下压力的变化情况。使节流阀开度最大,比例溢流阀导人-个方波信号,模拟负载压力变化,频率 10 Hz,信号幅值范围0200 mA,溢流压力30 MPa,仿真时间0.5 s,采样时间0.001 s,结果如图8所示。

在变载情况下,利用比例溢流阀模拟负载压力变化,由图8可知,泵出口的压力始终随负载端压力变化而变化,始终比负载压力高出1.4 MPa左右,使泵输出的压力流量满足负载需要,保证系统正常工作。

-- -- r-O.10时间/s图8 变载下泵和负载压力曲线4 结束语通过以上建模过程和仿真结果分析,可以总结负载敏感系统的特 如下:(1)负载敏感系统可以根据负载的需求提供压力和流量,避免了泵的溢流损失,但是仍然存在节流损失和沿程损失。

(2)负载敏感系统的压力和流量只撒于 阀和恒压阀的设定压力,与负载变化无关。

此外,建模过程中需要对物理样机的某些参数进行调整以适合模型,这说明使用AMESim标准元件库并不能完全建立物理模型,但对于实际的设计分析可以起到-定的参考与指导作用。

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